姜 龍，李國進，陳潤設(shè)

（廣西大學(xué) 電氣與工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

RFID技術(shù)的應(yīng)用，可以追溯到二戰(zhàn)時期。但由于技術(shù)和成本的原因，一直沒有得到很廣泛的應(yīng)用。近年來，射頻識別技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。隨著大規(guī)模集成電路和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的發(fā)展，射頻識別技術(shù)進入到商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，開始從原來的低頻（125kHz）、高頻（13.56MHz）向超高頻（860～960MHz）和微波領(lǐng)域發(fā)展。由于其獨有的優(yōu)勢，RFID技術(shù)顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間，成為了新時期最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。中國在低頻和高頻段，已經(jīng)自主開發(fā)出了ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693標準的RFID芯片，并且將此成功應(yīng)用在城市公交一卡通和第二代居民身份證等重大項目中。但在超高頻和微波領(lǐng)域，我國起步比較晚，技術(shù)和相應(yīng)的產(chǎn)品仍比較缺乏。在此背景下，本文對915MHz射頻讀卡器的設(shè)計做了一些研究。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到車輛監(jiān)控、遙控、遙測、門禁系統(tǒng)、身份識別、非接觸RF智能卡、無線485/232數(shù)據(jù)通信、安全防火等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計框架

如圖 1 所示，系統(tǒng)主要有 MCU（MC9S12×S128）、SI4432模塊、串口通信模塊、警示模塊和天線模塊組成。讀卡器輻射的高頻載波使進入天線市場范圍內(nèi)的電子標簽從輻射的能量中獲得工作所需的電量，激活電子標簽。被激活的電子標簽將接收到的信號解調(diào)、譯碼，然后針對不同的命令控制邏輯電路做出相應(yīng)的處理，最后提取出電子標簽的信息，經(jīng)編碼、調(diào)制等處理后發(fā)送回讀卡器，讀卡器再對接收到的信息進行解調(diào)，解碼及其他處理，送到上位機以滿足用戶的相關(guān)需要。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架

2 MCU模塊和射頻模塊SI4432簡介

MCU模塊選用Freecale公司的單片機MC9S12×S128，單片機具有64～256kB嵌入式閃存，帶糾錯碼（ECC）功能，4～12kB的RAM，高達4～8kB的data-flash，片子上集成了ECC模塊、一個穿行外設(shè)接口SPI模塊、4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口等外圍接口，使得電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強。通過SPI模塊配置SI4432寄存器，并完成數(shù)據(jù)通訊，設(shè)計方便靈活，占用的接口少。

SI4432是一款高集成度單晶片低功耗、多頻道的射頻收發(fā)器。在無需申請注冊的 315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz頻段設(shè)計應(yīng)用，完全符合FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）和ETSI（歐洲標準化委員會）認證的相關(guān)規(guī)定。芯片內(nèi)部集成有高頻功率放大器、低噪聲放大器、I/Q轉(zhuǎn)換混頻器、基帶濾波器、放大器等所需要去RF功能模塊，外部僅僅需要一塊晶振和幾個退偶電容即可工作。其內(nèi)部集成的全數(shù)字數(shù)據(jù)處理器極大地減少了MCU的負擔(dān)。集成的數(shù)字濾波、FIFO和TX數(shù)據(jù)寄存器、支持低功耗工作的喚醒定時器等，減少了設(shè)計的難度，同時也使設(shè)計的成本大大降低。

SI4432芯片的SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）和SDO（串口數(shù)據(jù)輸出），IRQ（中斷產(chǎn)生），SCLK（串行時鐘輸入）是標準的 SPI接口。中斷使能以后，每當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、上電復(fù)位、或者檢測到同步字前導(dǎo)碼等情況時，IRQ管腳將會被拉低。告知MC9S12×S128有中斷產(chǎn)生，要求單片機處理中斷程序。SI4432的SDN管腳則是決定芯片工作與否的關(guān)鍵。當(dāng)該管腳被拉低的時候，芯片處在工作狀態(tài)，為高電平的時候，芯片處在掉電模式，在該模式下芯片不允許訪問，所有寄存器的數(shù)據(jù)會丟失，芯片的功耗處在最低狀態(tài)。直到電平轉(zhuǎn)換才會進入到工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖2 SI4432接口電路設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計，采用模塊化的思想，把系統(tǒng)分為若干個主要的模塊，分別來設(shè)計軟件。主要包括系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等模塊。初始化程序，主要有兩塊核心芯片MC9S12×S128 I/O端口定義、寄存器配置的初始化以及對SPI的初始化設(shè)置和SI4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置；數(shù)據(jù)發(fā)送程序，則主要是寫入數(shù)據(jù)并發(fā)送，并且根據(jù)協(xié)議規(guī)則在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入前導(dǎo)碼、同步字、CRC校驗碼等，重新打包通過天線發(fā)送出去；數(shù)據(jù)接收程序，則要完成對數(shù)據(jù)的校驗和接收。

SI4432在上電之初，工作在默認的狀態(tài)，必須對相關(guān)的寄存器進行合理的設(shè)置，才能進行工作。芯片的內(nèi)部決定工作模式的寄存器有70之多，這些寄存器的初始化，是一個復(fù)雜但十分重要的環(huán)節(jié)。寄存器的配置合適與否在很大程度上決定了通訊的效果。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

SI4432寄存器的初始化主要包括載波頻率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、CRC校驗碼、前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)頭等。

NRF4432_WriteReg（HEADER_CONTROL_1，0x8c）；

//數(shù)據(jù)頭文件

NRF4432_WriteReg （TRANSMIT_PACKET_LENGTH，NRF4432_TxRxBuf_Len）；//發(fā)送數(shù)據(jù)包長度 32

NRF4432_WriteReg（NOMINAL_CARRIER_FREQUENCY_1，0x4b）；//載波頻率

NRF4432_WriteReg（MODULATION_MODE_CONTROL_1，0x02）；//調(diào)制控制方式設(shè)置

NRF4432_WriteReg（PREAMBLE_LENGTH，0x08）； //前導(dǎo)數(shù)據(jù)長度

FIFO數(shù)據(jù)訪問命令

NRF4432_WriteBurestReg （FIFO_ACCESS，NRF4432_TxRxBuf，NRF4432_TxRxBuf_Len）；

數(shù)據(jù)的發(fā)送使能

NRF4432_WriteReg （OPERATING_FUNCTION_CONTROL_1，0x09）；

在接收數(shù)據(jù)的時候，芯片會自動識別前導(dǎo)碼、同步字等，不需要干預(yù)；

在接受數(shù)據(jù)前，我們必須先清理FIFO，也就是將FIFO復(fù)位

NRF4432_WriteReg （OPERATING_FUNCTION_CONTROL_2，NRF4432_ReadReg（OPERATING_FUNCTION_CONTROL_2）|0x02）；

中斷時能

NRF4432_WriteReg（INTERRUPT_ENABLE_1，0x02）；

讀取中斷狀態(tài)

if（NRF4432_ReadReg（INTERRUPT_STATUS_1）&0x02）；

數(shù)據(jù)的接收使能

NRF4432_WriteReg（OPERATING_FUNCTION_CONTROL_1，0x05）；

while（IRQ=0）；

FIFO數(shù)據(jù)讀取

NRF4432_ReadBurestReg （uchar addr，uchar *p，uchar count）；

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的射頻讀卡器選用直式小功率天線，實現(xiàn)了短距離通訊，具有很好的穩(wěn)定性和通用性?？刂破鞒绦虼鎯卧獮镕lash存儲，因此可重復(fù)編程，升級和擴展方便，稍微做些改動，便可以應(yīng)用到其他的通訊領(lǐng)域。通過串口通訊模塊系統(tǒng)，可以很方便的和PC機進行連接。如果對天線系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，通訊距離將會達到一個很理想的效果。

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